Иванов-Смоленский А.В. Электрические машины т 2

Подождите немного. Документ загружается.

310

ние сменяется отрицательным (см. рис. 64.26), приращение dΨ

< 0

и e

> 0. Среднее за период коммутации значение ЭДС называется ре-

активной ЭДС секции

, (64.64)

где L

= Ψ

— индуктивность рассеяния секции.

Реактивная ЭДС секции, как показано на рис. 64.26, направлена «к

нам».

Во-вторых, в секции наводится ЭДС вращения

= 2B

v, (64.65)

где B

— среднее значение индукции в зоне расположения проводни-

ков коммутируемой секции; w

— число витков в секции; v — окруж-

ная скорость якоря.

При щетках, установленных на нейтрали, индукция B

создается

поперечной МДС якоря F

qmax

= Aτ/2:

где

Используя правило правой руки, легко убедиться, что e

> 0. Таким

образом, в машине без дополнительных полюсов коммутация всегда

будет замедленной (это относится и к режиму двигателя, которому со-

ответствует полярность главных полюсов, указанная на рис. 64.26).

Для создания ускоренной коммутации изменяют знак ЭДС враще-

ния e

за счет изменения направления поперечного поля в зоне ком-

мутируемой секции. Этот эффект наилучшим образом достигается

установкой в промежутках между главными полюсами дополнитель-

ных полюсов (см. рис. 64.28). Эти полюсы были предложены в 1884 г.

К. Менгесом, и в настоящее время ими снабжаются все машины по-

стоянного тока, мощность которых превышает 1—2 кВт. Поскольку

ЭДС вращения e

(64.65) должна компенсировать реактивную ЭДС

(64.64), пропорциональную току якоря i

, обмотка дополнительных

полюсов соединяется последовательно с обмоткой якоря и питается

------

∫

– L

----

⎝⎠

⎛⎞

ср

-------

0>== =

qmax

----------------------

---------------

2δ

τ b

–

-------------

⎝⎠

⎛⎞

311

током i

. Магнитодвижущая сила обмотки дополнительного полюса

должна быть такова, чтобы она не только компенсировала попереч-

ную МДС якоря F

qmax

, но и имела некоторый избыток, необходимый

для создания поперечного поля противоположного направления:

= F

q max

+ β

δ д

/ μ

где δ

— зазор под дополнительным полюсом; β

= 1,2 — коэффици-

ент, учитывающий падение магнитного напряжения в ферромагнит-

ных участках магнитной цепи дополнительных полюсов; k

δд

— коэф-

фициент зазора под дополнительным полюсом*.

Такая МДС при числе витков в обмотке дополнительного полюса

= F

Для некоторого ускорения коммутации принимают ЭДС вращения

| на 15 % большей, чем реактивная ЭДС e

(при этом ∑e = e

– e

= e

– 1,15e

= –0,15e

< 0). Исходя из условия |e

| = 1,15e

с учетом

(64.64), (64.65), найдем, что такая ЭДC | e

| наводится при индукции в

зазоре под дополнительным полюсом

При изменении нагрузки ускоренная коммутация будет поддержи-

ваться автоматически, если e

и e

изменяются пропорционально току

якоря. Для этого нужно, чтобы магнитная цепь дополнительных по-

люсов была ненасыщенной как в зоне сердечников этих полюсов, так

и на участках, общих с главной магнитной цепью. При резком изме-

нении нагрузки компенсация нарушается из-за появления вихревых

токов в массивных частях, которые препятствуют пропорционально-

му изменению потока дополнительных полюсов вслед за изменением

тока якоря. Поэтому в машинах для резкопеременной нагрузки сер-

дечники дополнительных полюсов, а иногда и станину выполняют

шихтованными. Следует также помнить, что дополнительными по-

люсами реактивная ЭДС компенсируется только в среднем за период

коммутации; в отдельные мгновения компенсация нарушается и, если

реактивная ЭДС слишком велика, дополнительные полюсы не позво-

ляют избавиться от искрения. Поэтому при проектировании машины

стремятся так выбрать ее размеры, чтобы реактивная ЭДС по (64.64)

была не более 3,5 В.

* В машине с компенсационной обмоткой МДС дополнительных полюсов может быть

уменьшена на МДС Ab

/2, создаваемую компенсационной обмоткой.

1,15L

----------------------

312

Возможность появления «кругового огня» на коллекторе. Ком-

пенсационная обмотка. При слишком большом напряжении между

соседними коллекторными пластинами между ними может возник-

нуть дуга, которая в дальнейшем распространяется на всю поверх-

ность коллектора. Этот аварийный процесс, называемый «круговым

огнем» на коллекторе, приводит к тяжелым повреждениям коллекто-

ра и щеткодержателей и выходу машины из строя.

Как показали исследования, «круговой огонь» может появиться

при максимальном напряжении между коллекторными пластинами

кmax

, превышающем 30—35 В. Напряжение между коллекторными

пластинами совпадает с напряжением секции, которая к ним присое-

динена. Последнее мало отличается от ЭДС секции и пропорциональ-

но индукции в зоне расположения сторон секции. Поэтому распреде-

ление напряжения между коллекторными пластинами подобно рас-

пределению индукции в зазоре на полюсном делении u

~ B. Среднее

напряжение между коллекторными пластинами u

к.ср

= 2pU/K пропор-

ционально средней индукции в зазоре B

δср

; максимальное напряже-

ние u

кmax

пропорционально максимальной индукции в зазоре B

δmax

Соотношение между ними совпадает с соотношением индукции:

кmax

= u

к.ср

max

= (2pU/K)c

max

, где c

max

= B

δmax

δ ср

При холостом ходе коэффициент c

max

= 1/0,7 = 1,42; при нагрузке

из-за влияния поперечной реакции якоря (см. § 64.9, рис. 64.22) мак-

симальная индукция превосходит среднюю в 1,2—1,3 раза и коэффи-

циент с

max

= (1,2—1,3)/0,7 = 1,7—1,85.

Существенного уменьшения u

кmax

при нагрузке можно добиться,

компенсируя поперечную МДС якоря. Это может быть достигнуто с

помощью особой обмотки, называемой компенсационной. Провод-

ники компенсационной обмотки располагаются в пазах наконечни-

ков главных полюсов и включаются последовательно с обмоткой

якоря таким образом, чтобы МДС обмоток были направлены встреч-

но (рис. 64.29). При линейной нагрузке компенсационной обмотки

, равной линейной на-

грузке якоря А, попереч-

ная МДС якоря Ax на лю-

бом расстоянии от оси по-

люса (x < 0,5b

) компенси-

руется МДС компенсаци-

онной обмотки A

Компенсация автомати-

чески поддерживается при

всех нагрузках, и поле под

Рис. 64.29. Разрез машины с компенсационной

обмоткой

313

полюсным наконечником остается таким же, как при холостом ходе.

Это не только уменьшает максимальное напряжение между коллектор-

ными пластинами, но и устраняет размагничивающее действие попе-

речной реакции якоря (F

= 0). Из-за заметного усложнения конструк-

ции компенсационная обмотка применяется только в машинах боль-

шой мощности, когда это экономически целесообразно.

64.11. Генераторы постоянноо тоа

Свойства генераторов постоянного тока зависят от схемы включе-

ния обмоток возбуждения. На рис. 64.30 показаны схемы генераторов

с электромагнитным возбуждением. В генераторе с независимым

возбуждением (рис. 64.30, а) обмотка возбуждения получает питание

от постороннего источника постоянного тока. В генераторе с парал-

лельным возбуждением (рис. 64.30, б ) обмотка возбуждения включа-

ется на зажимы якоря. В генераторе с последовательным возбужде-

нием (рис. 64.30, в) обмотка возбуждения включается последователь-

но с якорем. Генераторы со смешанным возбуждением наиболее час-

то имеют две обмотки возбуждения: параллельную и последователь-

ную (рис. 64.30, г). Генераторы-возбудители со смешанным возбуж-

дением, используемые для питания обмоток роторов крупных син-

хронных машин, в целях расширения пределов регулирования напря-

жения снабжают тремя обмотками: независимой, параллельной и по-

следовательной. На рис. 64.30 не показаны обмотки дополнительных

полюсов и компенсационные обмотки.

Свойства ненагруженного генератора постоянного тока (I = 0)

описываются характеристикой холостого хода (§ 64.7). О свойствах

генераторов при нагрузке судят по характеристикам, устанавливаю-

щим зависимости между основными величинами в его электрических

a) б) в) )

Рис. 64.30. Схемы генераторов с электромагнитным возбуждением:

— сопротивление нагрузки; R

— сопротивление регулировочного реостата

314

цепях (напряжением U, током нагрузки I и током возбуждения I

). К

числу этих характеристик относятся: внешняя характеристика, регу-

лировочная характеристика, нагрузочная характеристика и характе-

ристика короткого замыкания.

Для построения характеристик нужно обратиться к § 64.8, причем

для нормальных машин постоянного тока с дополнительными полю-

сами и щетками, установленными на геометрической нейтрали, пре-

небрегая влиянием МДС коммутируемых секций (см. § 64.10), можно

считать МДС тока якоря и ток возбуждения, эквивалентный этой

МДС, приблизительно пропорциональным току якоря и рассчитывать

их (64.45) по формулам:

я d

= ±F

– F

= F

я d м

/ I

я.ном

);

(64.66)

я d

/ w

= (F

я d ном

/ w

)(I

/ I

я.ном

в которых F

яdном

= ±F

п.ном

– F

qdном

— МДС тока якоря в номинальном

режиме, когда I = I

ном

, Φ = Φ

ном

При больших отклонениях потока Φ от номинального Φ

ном

расчет

по (64.66) дает заметную погрешность. Если требуется большая точ-

ность, то F

необходимо определять по § 64.8 для каждого значения

потока и тока (при необходимости методом последовательных при-

ближений).

Расчет характеристик генераторов постоянного тока удобно про-

изводить на ЭВМ. Для увеличения точности расчетов при большом

интервале изменения напряжений характеристику холостого хода

следует разбить на два-три участка и каждый участок аппроксимиро-

вать своей параболой.

Генератор с независимым или с независимо-последователь-

ным возбуждением. Ток возбуждения и напряжение генератора это-

го типа можно изменять регулировочным реостатом в широких пре-

делах (рис. 64.30, а). Поэтому они применяются в тех случаях, когда

требуется плавное регулирование напряжения от нуля до U

ном

Внешняя характеристика генератора U = f (I) при R

в0

= R

+ R

= const или I

= const строится графически (рис. 64.31) по характери-

стики холостого хода и характеристическому треугольнику (по

§ 64.8). Характеристика холостого хода представляется в виде зави-

симости от тока возбуждения. Катет bc характеристического тре-

угольника также вычисляется по (64.66) в виде тока возбуждения

bc = F

яd

, эквивалентного МДС якоря. Для построения характери-

стики задаются рядом токов якоря I = I

. При каждом из выбранных

токов треугольник размещают таким образом, чтобы его вершина b

315

лежала на характеристике холо-

стого хода, а вершина с — на ли-

нии I

= const. При этом расстоя-

ние от точки а до оси абсцисс

равняется напряжению U.

Построение на рис. 64.31

произведено для случая размаг-

ничивающего влияния МДС то-

ка якоря, когда F

я d

< 0 и точка b

располагается левее точки с. В

генераторе со смешанным со-

гласным независимо-последова-

тельным возбуждением в том

случае, когда МДС последовательной обмотки F

превосходит |F

и F

яd

= F

– F

> 0, построение производится аналогично, но точка

b располагается правее точки с.

Для аналитического представления внешней характеристики нуж-

но предварительно по (64.33) аппроксимировать характеристику хо-

лостого хода на необходимом интервале параболой:

. (64.67)

Затем выразить результирующий ток возбуждения в функции

тока I

в0

= I

+ F

я d

/ w

= I

+ c

где c

= F

яdном

/(w

я.ном

), и по (64.47) записать уравнение внешней ха-

рактеристики

, (64.68)

где

; b

= c

(2I

+ b

) – R

; .

Поскольку a

, так же как a

, всегда отрицательно, внешняя харак-

теристика рассматриваемого генератора имеет вид параболы с вер-

шиной, обращенной вверх. При I

= 0 напряжение U = c

= E

. Харак-

тер изменения напряжения с увеличением нагрузки (тока I

) зависит

от знака коэффициента b

. При b

= 0 производная

в0

++=

= c

++==

--------

⎝⎠

⎛⎞

+()

0===

=const

U=f (I )

=f (I

)

Рис. 64.31. Построение внешней харак-

теристики генератора с независимым

возбуждением

316

и напряжение падает по кривой 1 рис. 64.32; b

= 0 наблюдается в ге-

нераторе смешанного возбуждения, когда

При b

< 0 напряжение с увеличением нагрузки падает более резко,

чем при b

= 0 (кривая 2); такие значения b

имеют место в генераторе

со смешанным согласным или независимым возбуждением, когда

<< {R

/(2I

+ b

)}. Наконец, при b

> 0 напряжение с увеличением

нагрузки сначала возрастает, достигает при I

яmax

= –b

/(2a

) макси-

мального значения U

max

, а затем начинает снижаться (кривая 3); такие

получаются в генераторе со смешанным согласным возбуждением,

кода c

> R

/(2I

+ b

). Заметим, что 2I

+ b

представляет собой

тангенс угла наклона характеристики холостого хода dE/dI

при за-

данном токе I

. Приняв в (64.67) U = 0, найдем ток якоря, при котором

внешние характеристики пересекаются с осью абсцисс:

. (64.69)

Построение регулировочной характеристики I

= f (I

) при некото-

ром U = const показано на рис. 64.33. Здесь также задаются несколь-

----------------------------

я U 0=()

– b

–+()/2a

()=

U=constI

U,E

=f (I

)

=f (I)

я max

max

Рис. 64.32. Внешние характеристи-

ки генератора с независимо-после-

довательным возбуждением

Рис. 64.33. Построение регулировочной

характеристики генератора с независи-

мым возбуждением

317

кими значениями тока якоря I = I

и при каждом из выбранных токов

размещают характеристический треугольник таким образом, чтобы

точки a, a

лежали на линии U = const, а точки b, b

— на характери-

стике холостого хода. Тогда расстояние от точки а до оси ординат рав-

няется требуемому току возбуждения. Рис. 64.33 соответствует слу-

чаю, когда F

яd

< 0; если F

яd

> 0, точка b располагается правее точки с.

Для аналитического представления регулировочной характери-

стики при U = const можно использовать аппроксимацию (64.67).

Сначала задавшись током I

, определим ЭДС E = U + I

; затем по

(64.67) найдем результирующий ток и ток возбуждения I

в0

, соответ-

ствующий этой ЭДС,

и ток возбуждения I

= I

в0

– c

, при котором напряжение U = const,

. (64.70)

Полученная зависимость I

= f (I

) является аналитическим выра-

жением регулировочной характеристики. Вид характеристики зави-

сит от проявления влияния МДС якоря и падения напряжения в цепи

якоря. При токе I

= 0 все характеристики проходят через точку

на оси ординат.

Из этой точки характеристики выходят под углом к оси абсцисс,

тангенс которого равен

где

> 0.

Если c

= c

я0

, угол равен нулю и ток возбуждения при увеличении

незначительно возрастает (кривая 1 на рис. 64.34). Если c

< c

я0

, что

наблюдается при независимом возбуждении или при согласном воз-

в0

– b

E–()–+

-------------------------------------------------------------------

– b

U– R

–()–+ /2a

()c

–=

вx

– b

U–()–+=

------

⎝⎠

⎛⎞

я0

–=

я0

U–()–

--------------------------------------------------

318

буждении в случае слабой последо-

вательной обмотки, угол положите-

лен и ток возбуждения при увеличе-

нии I

возрастает более резко (кри-

вая 2). Если c

> c

я0

, что наблюдает-

ся при согласном возбуждении в

случае сильной последовательной

обмотки, угол отрицателен и ток

возбуждения при увеличении I

сна-

чала несколько уменьшается, дости-

гает при токе

минимального значения I

вmin

, а затем начинает возрастать (кривая 3).

Пример 64.10. Для генератора с независимым возбуждением, ха-

рактеристика холостого хода которого аппроксимирована параболой

= –0,2464 В/А

; b

= 2 Ом; c

= 71,8 В),

имеющего I

я.ном

= 1000 А; w

= 400; R

= 0,015 Ом; F

qdном

= 800 A, по-

строить регулировочную характеристику при U = 500 В, а также его

регулировочные характеристики, если он будет оснащен последова-

тельными обмотками, обеспечивающими c

= c

я0

и c

= 0,003.

При независимом возбуждении генератор имеет:

= – 0,002,

где F

qdном

= –F

= –800 А. Характеристика при c

= –0,002, рассчи-

танная по (64.70), представлена кривой 2 на рис. 64.34. Характерное

значение

= 0,00195.

Характеристика при c

= c

я0

представлена кривой 1, характеристи-

ка при c

= 0,003 > c

я0

— кривой 3.

Графическое построение нагрузочной характеристики U = f (I

)

производится (рис. 64.35) при заданном постоянном значении тока

якоря генератора I

= const. Этому току при номинальном напряжении

соответствует определенный характеристический треугольник abc. В

первом приближении считают, что размеры треугольника при измене-

яmin

U–()–]–

----------------------------------------------------------------------

++=

qdном

яном

--------------------

–

800

400æ 1000

--------------------------

я0

0,015

4 – 0,2464()æ 71,8 500–()–

-------------------------------------------------------------------------------------

,A

в min

я min

в x

,

12 3

Рис. 64.34. Регулировочные харак-

теристики генератора с независимо-

последовательным возбуждением

319

нии тока возбуждения сохраняются.

Тогда, перемещая треугольник таким

образом, чтобы точки b лежали на ха-

рактеристике холостого хода, можно

найти требуемую зависимость (рас-

стояние от а до оси абсцисс равно U;

расстояние от а до оси ординат — току

возбуждения I

По уравнению (64.67) нагрузочную

характеристику легко выразить анали-

тически

где

= a

; b

= b

+ 2a

;

Ток в обмотке якоря генератора при коротком замыкании в пер-

вом приближении вычисляется по (64.69). При возбуждении, соответ-

ствующем номинальному напряжению при нагрузке, ток короткого

замыкания может в десятки раз превосходить номинальный. Особен-

но велик этот ток в генераторах с согласным независимо-параллель-

ным возбуждением.

Генератор с параллельным или с параллельно-последователь-

ным возбуждением. Генераторы этого типа (см. рис. 64.30, б и г) не

нуждаются в постороннем источнике постоянного тока для питания

обмотки возбуждения и работают с самовозбуждением. Этим объяс-

няется их относительно широкое распространение. Номинальный ток

в параллельной обмотке генератора весьма мал по сравнению с номи-

нальным током в обмотке якоря [I

в.ном

= (0,01—0,05) I

я.ном

]. При ана-

лизе характеристик генератора считают ток нагрузки I = I

– I

≈ I

совпадающим с током якоря.

Условия самовозбуждения. Рассмотрим сначала условия самовоз-

буждения при холостом ходе, когда цепь якоря разомкнута (R

= ×).

Предположим, что генератор вращается с угловой скоростью Ω. Его

характеристика холостого хода при этой скорости представлена на

рис. 64.36. На этом же рисунке в виде прямых 1—4 показано падение

напряжения в цепи параллельной обмотки возбуждения U

= R

в0

при нескольких значениях сопротивления R

в0

= R

+ R

цепи возбуж-

дения.

++=

++–=

U,E

в

=f (I

)

U=f (I

)

Рис. 64.35. Нагрузочная характе-

ристика